CN111167281A - 用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：在液体反应体系中将锰前驱体、铈前驱体以及活性炭互相接触；在搅拌条件下加入碱性沉淀剂，常温下进行沉淀反应；加入次氯酸盐继续搅拌，常温下进行氧化反应；以及停止搅拌后，常温下静置老化、过滤、干燥得到锰铈氧化物/活性炭复合材料。

Description

用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，具体涉及一种用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料及其制备方法。
背景技术
目前，市面上除甲醛方法主要为利用多孔材料将甲醛吸附去除，比如采用活性炭、活性氧化铝等具有强大比表面积的吸附材料。但是该方法存在很大的问题，材料吸附饱和后，便无法继续吸附甲醛。另外，研究人员还发现采用催化材料可以催化氧化分解甲醛，例如铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)等贵金属对于甲醛的催化氧化具有优异的性能，但该类催化剂制备成本昂贵、工艺复杂、且贵金属极易团聚，使用寿命不长。而将过渡金属氧化物负载在活性炭表面来催化氧化甲醛技术具有更大的优势。公开号CN107930666A的专利申请公开了一种室温氧化甲醛的纳米锰铈氧化物/活性炭复合材料及其制备方法，该方法采用原位共沉淀法在活性炭表面均匀稳固地负载纳米锰铈氧化物，但该制备过程工艺复杂，且需要高温煅烧，无法实现大规模工业化生产。
因此如何采用步骤简单、条件温和的制备工艺在活性炭表面负载过渡金属氧化物是放大生产的关键技术问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料及其制备方法，不需要高温煅烧就可以在活性炭表面负载过渡金属氧化物。
本发明提供一种用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
在液体反应体系中将锰前驱体、铈前驱体以及活性炭互相接触；
在搅拌条件下加入碱性沉淀剂，常温下进行沉淀反应；
加入次氯酸盐继续搅拌，常温下进行氧化反应；以及
停止搅拌后，常温下静置老化、过滤、干燥得到锰铈氧化物/活性炭复合材料。
在其中一个实施例中，所述锰前驱体为二价锰盐，所述铈前驱体为三价铈盐。
在其中一个实施例中，所述锰前驱体为醋酸锰、硝酸锰、氯化锰、磷酸锰、草酸锰水合物中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述铈前驱体为醋酸铈、硝酸铈、硫酸铈铵、草酸铈水合物中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述碱性沉淀剂为氢氧化钠和/或氢氧化钾。
在其中一个实施例中，所述碱性沉淀剂为氢氧化钾。
优选的，所述碱性沉淀剂中所述氢氧化钠和所述氢氧化钾的摩尔质量比为(1～2)：1。
在其中一个实施例中，所述次氯酸盐为次氯酸钠和/或次氯酸钾。
在其中一个实施例中，所述锰前驱体和所述铈前驱体的质量比为(1～10)：1。
在其中一个实施例中，所述活性炭的比表面积为1500m3/g～2000m3/g。
在其中一个实施例中，所述碱性沉淀剂的用量与所述锰前驱体和所述铈前驱体总质量的比为(0.5～1)。
在其中一个实施例中，所述次氯酸盐有效氯含量为8％～12％，所述次氯酸盐的加入量与所述锰前驱体和所述铈前驱体总质量的比，以mL/g计，为0.15mL/g～0.2mL/g。
本发明还提供一种由所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法得到的锰铈氧化物/活性炭复合材料，包括活性炭和负载在所述活性炭上的锰铈氧化物活性组分，所述锰铈氧化物活性组分表示为MnOx(y)-CeO2，其中，x取1.2～2，y取10～1，所述MnOx中Mn以Mn4+和Mn3+的混合化合价态形式存在。
在其中一个实施例中，所述锰铈氧化物活性组分在所述活性炭上的负载量为5wt％～15wt％。
本发明提供的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，以碱性沉淀剂和次氯酸盐共同作用的氧化共沉淀法，无需高温焙烧，常温常压下在活性炭表面原位生长锰铈氧化物。制备得到的锰铈氧化物/活性炭复合材料可高效持续降解室内甲醛，具有更高的转化率和选择性，且不会产生中间产物造成二次污染。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明“常温”是指1个标准大气压下，20℃～30℃。
本发明实施例提供一种用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S10，在液体反应体系中将锰前驱体、铈前驱体以及活性炭互相接触；
S20，在搅拌条件下加入碱性沉淀剂，常温下进行沉淀反应；
S30，加入次氯酸盐继续搅拌，常温下进行氧化反应；以及
S40，停止搅拌后，常温下静置老化、过滤、干燥得到锰铈氧化物/活性炭复合材料。
本发明实施例提供的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，以碱性沉淀剂和次氯酸盐共同作用的氧化共沉淀法，无需高温焙烧，常温常压下即可在活性炭表面原位生长锰铈氧化物。锰铈氧化物以MnOx(y)-CeO2(x取1.2～2，y取10～1)的形式存在，MnOx中的Mn以Mn4+和Mn3+的混合化合价态形式存在，MnOx表面暴露的活性位点是氧化甲醛的主要场所，表面晶格氧具有很强的活性，在反应过程中首先将空气中的氧气分子捕获，并将其分解为两个活性氧物种Oads；活性氧物种将Mn3+氧化为Mn4+，同时失去的电子转移到Oads上形成O-；O-将吸附在MnOx表面的甲醛氧化生成甲酸盐中间体，同时电子从O-转移到Mn4+上，将Mn4+还原成Mn3+；甲酸盐继续分解为H+和HCOO-，同时HCOO-和另一个Oads反应生成HCO3-，最后HCO3-分解为CO2和H2O。Mn4+和Mn3+的可逆转变为催化反应提供了源源不断的动力。其中CeO2不直接参与催化氧化甲醛的反应，但是其具有很强的储氧能力，反应中需要的活性氧物种可优先由CeO2表面产生，从而参与整个催化反应过程，提高了MnOx催化氧化甲醛反应的速率。
步骤S10中，所述锰前驱体可以为二价锰盐，可以选择醋酸锰、硝酸锰、氯化锰、磷酸锰、草酸锰水合物中的一种或多种。
所述铈前驱体可以为三价铈盐，可以选择醋酸铈、硝酸铈、硫酸铈铵、草酸铈水合物中的一种或多种。
所述锰前驱体和所述铈前驱体的质量比可以为(1～10)：1，还可以选择2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1。
所述液体反应体系包括溶剂，所述溶剂为可溶解所述锰前驱体和所述铈前驱体的溶剂，优选为水，所述水的用量不限，以溶解所述铈前驱体和所述锰前驱体，并使所述前驱体溶液更好的浸渍活性炭为目的。优选的，所述水的用量为所述锰前驱体和所述铈前驱体总质量的6～10倍。
所述活性炭的比表面积为1500m3/g～2000m3/g，该比表面积范围为锰铈氧化物的均匀分散提供了一个优异的负载空间，并且通过物理吸附将甲醛吸附到孔道中，为催化甲醛反应提供了有效的接触面积，促进了催化甲醛反应的高效进行。
所述活性炭的用量为所述锰前驱体和所述铈前驱体总质量的20％～30％。
步骤S20中，所述碱性沉淀剂可以为强碱，可以为氢氧化钠和/或氢氧化钾。所述碱性沉淀剂使所述锰前驱体和所述铈前驱体形成氢氧化物。
优选的，所述碱性沉淀剂为氢氧化钾。本发明技术人员进一步发现，钾离子可促进生成的锰氧化物捕获氧的能力，提高甲醛转化率。
所述碱性沉淀剂中所述氢氧化钠和所述氢氧化钾的摩尔质量比可以为(1～2)：1。
所述碱性沉淀剂的用量与所述锰前驱体和所述铈前驱体总质量的比可以为(0.5～1)，还可以选择0.51、0.52、0.53、0.54、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95。
所述碱性沉淀剂优选以溶液的形式加入，所述碱性沉淀剂溶液的浓度可以为1mol/L～2mol/L。
步骤S30中，所述次氯酸盐可以为次氯酸钠和/或次氯酸钾。次氯酸盐为氧化剂，与所述氢氧化物反应形成MnOx(Mn以Mn4+和Mn3+的混合化合价态形式存在)、CeO2。
所述次氯酸盐有效氯含量为8％～12％，所述次氯酸盐的加入量与所述锰前驱体和所述铈前驱体总质量的比，以mL/g计，可以为0.15mL/g～0.2mL/g，还可以选择0.16mL/g、0.17mL/g、0.18mL/g、0.19mL/g。
优选的，步骤S30中，所述次氯酸盐以滴加的方式加入。
步骤S10中浸渍时间可以为10min～30min，以保证锰铈氧化物在活性炭上的负载量。
步骤S20中，所述沉淀反应时间可以为30min～40min。
步骤S30中，所述氧化反应时间可以为30min～40min。
步骤S40中，所述常温下静置老化时间可以为12h～24h。
步骤S40中，所述干燥可以在常温下干燥，也可以稍加热加速干燥，加热温度可以为60℃～80℃，干燥时间可以为12h～14h。
本发明实施例还提供由上述用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法得到的锰铈氧化物/活性炭复合材料。所述锰铈氧化物/活性炭复合材料包括活性炭和负载在所述活性炭上的锰铈氧化物活性组分，所述锰铈氧化物活性组分表示为MnOx(y)-CeO2，其中，x取1.2～2，y取10～1，所述MnOx中Mn以Mn4+和Mn3+的混合化合价态形式存在。
在一实施例中，所述锰铈氧化物活性组分在所述活性炭上的负载量为5wt％～15wt％。
所述锰铈氧化物活性组分以颗粒的形式负载在所述活性炭上。所述锰铈氧化物活性组分一部分进入所述活性炭的介孔和大孔的孔道内，另一部分负载在所述活性炭表面。在一实施例中，所述锰铈氧化物活性组分的粒径为10nm～30nm。
以下为具体实施例
实施例1
(1)将0.2g硫酸锰和0.1g硝酸铈溶解到50mL去离子水中，然后边搅拌边加入1g椰壳活性炭，浸渍10分钟。
(2)加入3ml配制好的2mol/L氢氧化钾溶液，常温下搅拌30min。
(3)溶液开始变浑浊，呈浅黄色，之后将2ml次氯酸钾缓慢滴加进去，常温下继续搅拌30min，溶液由黄色变棕黑色。
(4)在室温下静止12h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗3次，然后在80℃的烘箱中干燥5h，得到锰铈氧化物/活性炭复合材料。
实施例2
(1)将0.2g硫酸锰和0.02g硝酸铈溶解到50mL去离子水中，然后边搅拌边加入1g椰壳活性炭，浸渍10分钟。
(2)加入3ml配置好的2mol/L氢氧化钠溶液，常温下搅拌30min。
(3)溶液开始变浑浊，呈浅黄色，之后将2ml次氯酸钠缓慢滴加进去，常温下继续搅拌30min，溶液由黄色变棕黑色。
(4)在室温下静止12h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗2次，然后在70℃的烘箱中干燥2h，得到锰铈氧化物/活性炭复合材料。
实施例3
(1)将0.2g硫酸锰和0.1g硝酸铈溶解到50mL去离子水中，然后边搅拌边加入1g椰壳活性炭，浸渍10分钟。
(2)加入2ml配置好的2mol/L氢氧化钠溶液，常温下搅拌30min。
(3)溶液开始变浑浊，呈浅黄色，之后将2ml次氯酸钾缓慢滴加进去，常温下继续搅拌30min，溶液由黄色变棕黑色。
(4)在室温下静止12h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗3次，然后在80℃的烘箱中干燥5h，得到锰铈氧化物/活性炭复合材料。
实施例4
(1)将2g硫酸锰和1g硝酸铈溶解到100mL去离子水中，然后边搅拌边加入10g椰壳活性炭，浸渍30分钟。
(2)加入19ml配置好的2mol/L氢氧化钠溶液，常温下搅拌30min。
(3)溶液开始变浑浊，呈浅黄色，之后将20ml次氯酸钾缓慢滴加进去，常温下继续搅拌30min，溶液由黄色变棕黑色。
(4)在室温下静止12h，反应结束后，过滤得到固体产物，使用去离子水清洗3次，然后在80℃的烘箱中干燥12h，得到锰铈氧化物/活性炭复合材料。
试验例
分别取0.2g实施例1～4制得的锰铈氧化物/活性炭复合材料置于直径为5mm的金属管内石英棉上进行催化分解活性评估。金属管的底部和甲醛发生器相连，顶部与红外光声谱仪相连。将压缩空气鼓入甲醛发生器中，空气和甲醛混合得到甲醛浓度为5ppm的空气，含甲醛的空气从底部进入装有锰铈氧化物/活性炭复合材料的金属管中，然后从顶部出来进入到红外光声谱仪中检测甲醛及二氧化碳的浓度。测试结果如下表1所示：
表1
样品 原始甲醛浓度 300min后甲醛浓度 甲醛转化率
实施例1 5ppm 0.5ppm 90％
实施例2 5ppm 2ppm 60％
实施例3 5ppm 1.5ppm 70％
实施例4 5ppm 3ppm 40％
由此可见，钾离子可促进锰氧化物捕获氧的能力，沉淀剂为氢氧化钾时，可提高甲醛转化率。实施例2和实施例3对比可知，当铈盐的比例增加时，也可提高甲醛转化率。另外，实施例4中，当放大量生产时，甲醛转化率会有一定程度的下降，但是实施例4仍然具有较高的甲醛转化率，可以满足实际生产的需要。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在液体反应体系中将锰前驱体、铈前驱体以及活性炭互相接触；
在搅拌条件下加入碱性沉淀剂，常温下进行沉淀反应；
加入次氯酸盐继续搅拌，常温下进行氧化反应；以及
停止搅拌后，常温下静置老化、过滤、干燥得到锰铈氧化物/活性炭复合材料。
2.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述锰前驱体为二价锰盐，所述铈前驱体为三价铈盐。
3.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述锰前驱体为醋酸锰、硝酸锰、氯化锰、磷酸锰、草酸锰水合物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述铈前驱体为醋酸铈、硝酸铈、硫酸铈铵、草酸铈水合物中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述碱性沉淀剂为氢氧化钠和/或氢氧化钾。
6.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述碱性沉淀剂为氢氧化钾。
7.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述次氯酸盐为次氯酸钠和/或次氯酸钾。
8.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述锰前驱体和所述铈前驱体的质量比为(1～10)：1。
9.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述活性炭的比表面积为1500m3/g～2000m3/g。
10.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述碱性沉淀剂的用量与所述锰前驱体和所述铈前驱体总质量的比为(0.5～1)。
11.根据权利要求1所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述次氯酸盐有效氯含量为8％～12％，所述次氯酸盐的加入量与所述锰前驱体和所述铈前驱体总质量的比，以mL/g计，为0.15mL/g～0.2mL/g。
12.由权利要求1～11任一项所述的用于甲醛分解的锰铈氧化物/活性炭复合材料的制备方法得到的锰铈氧化物/活性炭复合材料，其特征在于，包括活性炭和负载在所述活性炭上的锰铈氧化物活性组分，所述锰铈氧化物活性组分表示为MnOx(y)-CeO2，其中，x取1.2～2，y取10～1，所述MnOx中Mn以Mn4+和Mn3+的混合化合价态形式存在。
13.根据权利要求12所述的锰铈氧化物/活性炭复合材料，其特征在于，所述锰铈氧化物活性组分在所述活性炭上的负载量为5wt％～15wt％。
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